Ökophysiologie eines Sulfat-reduzierenden Vertreters der rare biosphere

Methanemissionen aus Mooren tragen erheblich zur globalen Klimaerwärmung bei, werden aber gleichzeitig durch den Prozess der Sulfatreduktion, der durch global ansteigende SO 2 -Luftverschmutzung und damit verbundenen sauren Regen angetrieben wird, reduziert. Gleichzeitig sind die dafür verantwortlichen sulfatreduzierenden Mikroorganismen und deren Ökophysiologie in Mooren weitgehend unbekannt. In einer vor kurzem durchgeführten Studie identifizierten wir eine Desulfosporosinus-Art als wichtigen Moor-Sulfatreduzierer, der gleichzeitig ein Vertreter der sogenannten rare biosphere ist (0,006% aller Bakterien und Archaeen im Moor). Zu Zeit ist das Wissen über die rare biosphere auf eine Zusammenstellung von 16S rRNA Genen beschränkt, die sehr selten in der Umwelt detektiert werden. Dabei fällt auf, dass jedwedes Wissen über die genomische Zusammensetzung und Ökophysiologie von metabolisch aktiven Repräsentanten der rare biosphere fehlt. In diesem Projekt wollen wir Einblicke in die Ökophysiologie des seltenen Moor-Desulfosporosinus erlangen in dem wir (i) einen Großteil seines Genoms mittels selektiver Metagenomik analysieren und es zu vier Genomen von kultivierten Desulfosporosinus-Arten vergleichen, (ii) sein von der Genomanalyse abgeleitetes Metabolismus-Potential mit seinem eigentlichen Metabolismus in situ vergleichen (potentielle vs. realisierte Nische), (iii) seine wesentlichen aktivierten Stoffwechselwege, Biosynthesewege und Stressantworten anhand seiner abundanten Transkripte unter in situ Bedingungen mittels selektiver Metatranskriptomik analysieren und (iv) seine unabdingbaren Nährstoff- und physikochemischen Bedürfnisse mittels Kultivierung erforschen. Das leicht zugängliche und bereits gut untersuchte Moor Schlöppnerbrunnen II, welches gleichzeitig als Langzeit-Experimentierfläche dient, stellt dabei ein ideales Habitat für das Studium dieses rare biosphere-Repräsentanten und dessen Einfluss auf den Prozess der Sulfatreduktion dar. Um die Ziele dieses Projektes zu erreichen, werden wir neue methodische Ansätze wie die Kombination der Stabile-Isotopen-Beprobung von DNA mit der Metagenomik bzw. der Stabile-Isotopen- Beprobung von RNA mit der Metatranskriptomik anwenden und weiterentwickeln. Diese modernen methodischen Ansätze sowie das gesammelte Wissen werden wesentlich zu unserem Verständnis der rare biosphere und deren Einfluss auf Ökosysteme beitragen und gleichzeitig einen Beitrag zur Etablierung allgemeiner Konzepte in der mikrobiellen Ökologie leisten.

Aufgrund mikrobieller Prozesse sind Feuchtgebiete einerseits wichtige Kohlenstoffsenken, aber andererseits auch große globale Quellen des Treibhausgases Methan. Wie die Mikroorganismen in Feuchtgebieten auf die globale Erwärmung und die zunehmende Luftverschmutzung mit Schwefeldioxid in den nächsten Jahrzehnten bis Jahrhunderten reagieren werden ist eine der größten Unbekannten der Umwelt- und Klimaforschung. Obwohl Feuchtgebiete in erster Linie als methanproduzierende Ökosysteme wahrgenommen werden, üben ein verborgener Schwefelkreislauf und die daran beteiligten Mikroben wichtige Ökosystemfunktionen in Feuchtgebieten aus. Dissimilatorische Sulfatreduktion ist energetisch günstiger als methanogene Prozesse und der zugrunde liegende Ressourcenkampf der konkurrierenden Mikroorganismen steuert somit effektiv die Methanproduktion in Feuchtgebieten. In einer früheren Studie konnten wir zeigen, dass Desulfosporosinus-Arten aufgrund ihrer geringen Häufigkeit Mitglieder der sogenannten seltenen Biosphäre in einem sauren Moor sind, aber dennoch wesentlich zur Sulfatreduktion beitragen können. Das vorliegende Projekt hat (i) zu einem besseren Verständnis der Ökophysiologie von Sulfat-reduzierenden Mikroorganismen beigetragen, (ii) die möglichen Interaktionen und den Einfluss unterschiedlicher Mikroorganismen auf den anaeroben Kohlenstoffabbau in Moorgebieten unter verschiedenen umweltrelevanten Bedingungen aufgeklärt, (iii) durch eine neue Kombination metagenomischer Ansätze das Genom einer seltenen Desulfosporosinus-Art entschlüsselt und (iv) letztendlich zur Isolierung repräsentativer Desulfosporosinus-Stämme aus dem Moorgebiet in Reinkultur geführt. Zusammenfassend hat dieses Projekt zu vertieften Kenntnissen der Ökologie Sulfat- reduzierender Mikroorganismen in Mooren geführt und einen exemplarischen Ansatz für die Analyse des Einflusses der seltenen Biosphäre auf den Nährstoffkreislauf in anderen Ökosystemen geliefert.